DE459014C

DE459014C - Heating method with increased combustion pressure for water tube boilers with oil or pulverized coal combustion

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Publication number: DE459014C
Application number: DEW67145D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1924-09-23
Filing date: 1924-09-23
Publication date: 1928-04-27

Description

Die Erfindung· bezweckt die Schaffung eines Dampferzeugers von größter Leistungsfähigkeit bei geringstem Gewicht- und Raumbedarf, um insbesondere bei ortsbeweglichen Kraftanlagen, wie z. B. Lokomotiven, Lokomobilen, schnellen Wasserfahrzeugen oder dampfbetriebenen Luftfahrzeugen, eine Dampfanlage von möglichst hoher Leistung einibauen zu können. Es ist selbstverständlich, daß für diesen Zweck nur öl- oder kohlenstaubbefeuerte engrohrige Wasserrohrkessel in Frage kommen können, da derartig befeuerte Kessel bereits an sich gegenüber jeder anderen Kessel- oder Feuerungsart die höchste Wärmeübertragung pro Quadratmeter Heizfläche zulassen und das geringste Gewicht für eine gegebene Dampfleistung besitzen. Die gestellte Aufgabe wäre jedoch mit einem gewöhnlichen engrohrigen Wasserrohrkessel als an sich vergleichsweise bereits leichtestem Kesselsystem mit üblichem, verhältnismäßig niedrigem Dampfdruck und üblichem Druck im Verbrennungsraum von etwa höchstens ; 100 mm Wassersäule, wie solche z. B. bei ; Torpedobooten in Gebrauch sind, noch nicht lösbar, da auch ein derartig betriebener Kessel für eine gegebene Dampfleistung noch zu ^! schwer wird, vor allen Dingen aber zuviel Raum einnimmt.The invention · aims to create a steam generator of the highest performance with the lowest weight and space requirements, in particular for portable power plants, such as. B. locomotives, locomobiles, fast watercraft or steam-powered aircraft to be able to install a steam system of the highest possible power. It goes without saying that only oil or coal dust-fired narrow-tube water-tube boilers can be considered for this purpose, since such boilers already allow the highest heat transfer per square meter of heating surface and have the lowest weight for a given steam output compared to any other type of boiler or furnace . The task at hand would, however, be with an ordinary narrow-tube water-tube boiler as the already comparatively lightest boiler system with the usual, relatively low vapor pressure and the usual pressure in the combustion chamber of about at most; 100 mm water column, such as such. B. at; Torpedo boats are still in use, since a boiler operated in this way is still closed for a given steam output ^! becomes difficult, but above all takes up too much space.

3a Die Erfindung setzt nun hier ein, indem sie zwei einzeln für sich bekannte Merkmale vereinigt, nämlich einen Hochdruck-Wasserrohr- ; kessel und ein Heizungsverfahren mit erhöhtem, und zwar über 200 mm Wassersäule liegendem Verbrennungsdruck. Diese beiden Merkmale stehen hierbei in gewisser Wechselwirkung, so daß bei ihrer Vereinigung ein wesentlicher technischer Fortschritt im Sinne der vorliegenden Aufgabe erzielt wird.3a The invention begins here by combining two individually known features, namely, a high pressure water pipe; boiler and a heating process with increased, namely a combustion pressure above 200 mm water column. These two Features are here in a certain reciprocal relationship, so that when they are united significant technical progress in terms of the task at hand is achieved.

Einerseits ermöglicht der höhere Verbrennungsdruek eine wesentlich größere Wärmeübertragung pro Quadratmeter Heizfläche beim Dampferzeuger, Überhitzer, Vorwärmer o. dgl. als bei den bisher üblichen Verbrennungsdrücken, so daß die Länge der Heizrohre, insbesondere der des Dampferzeugers, und damit auch deren Durchmesser bei üblichem Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Rohre wesentlich verkleinert werden kann. Ohne zu praktisch ungeeigneten Mitteln, wie z. B. Engersetzen der Rohre oder zu großem Verhältnis von Länge zu Durchmesser, greifen zu müssen, erhält daher der mit erhöhtem Verbrennungsdruck betriebene Wasserrohrkessel verhältnismäßig geringe Abmessungen und Gewichte. Der erhöhte Verbrennungsdruck ergibt somit eine ähnliche Leistungssteigerung bzw. Gewichtsverminderung pro Pferdestärke wie z. B. die Vorverdichtung bei Verbrennungsmotoren. Der verringerte Durchmesser der Heizrohre und damit auch des Ober- oder Unterkessels usw. erlaubt hinwiederum eine bedeutende Steigerung des Betriebsdrucks im Kessel bei Wahrung genügenderOn the one hand, the higher combustion pressure enables significantly greater heat transfer per square meter of heating surface at the steam generator, superheater, preheater or the like than with the previously usual combustion pressures, so that the length of the heating pipes, in particular that of the steam generator, and thus also its diameter in the usual case The ratio of length to diameter of the pipes can be reduced significantly. Without too practically unsuitable means, such as. B. Narrowing the pipes or too large The ratio of length to diameter of having to grip is therefore given to the one with increased Combustion pressure operated water tube boilers relatively small dimensions and Weights. The increased combustion pressure thus results in a similar increase in performance or weight reduction per horsepower such. B. the pre-compression in internal combustion engines. The reduced diameter of the heating pipes and thus also of the upper or lower boiler etc. allows in turn a significant increase in the operating pressure in the boiler while maintaining sufficient

Betriebssicherheit, so daß damit erst dem Hochdruckdampf bzw. dem Hochdruck-Wasserrohrkessel das Gebiet insbesondere ortsbeweglicher Kraftanlagen, wie z. B. von Lokomotiven, Lokomobilen oder dampf betriebenen Luftfahrzeugen, in unbeschränkter und höchst erfolgreicher wirtschaftlicher Weise erschlossen wird. Der erhöhte Verbrennungsdruck erlaubt zugleich eine wesentliche Verkleinerung der Verbrennungskammer des Wasserrohrkessels, so daß hierdurch dessen Raumbedarf, insbesondere bei Kohlenstaubfeuerung, noch weiter vermindert wird. Dies ist selbstredend insbesondere bei ortsbeweglichen Kraftanlagen wichtig, um z. B. bei Turbinenlokomotiven die Unterbringung des Wasserrohrkessels samt Maschinen- und Kondensatoranlage auf einem durchlaufenden Fahrgestell zu erleichtern.Operational safety, so that only the High-pressure steam or the high-pressure water-tube boiler make the area particularly mobile Power plants, such as B. of locomotives, locomobiles or steam-powered Aircraft, developed in an unrestricted and highly successful economic manner will. The increased combustion pressure also allows a significant reduction in size the combustion chamber of the water tube boiler, so that its space requirement, especially in the case of pulverized coal firing, is even further reduced. This goes without saying especially important for portable power plants to z. B. in turbine locomotives the accommodation of the water tube boiler including the machine and condenser system on a continuous chassis to facilitate.

Anderseits ist die Anwendung eines Heizungsverfahrens mit erhöhtem Verbrennungsdruck unbedingt an einen Wasserrohrkessel gebunden, da dieser infolge seines geordneten und daher möglichen schnellen Wasserumlaufs die Übertragung einer größeren Wärmemenge pro Quadratmeter Heizfläche auch tatsächlich gestattet, ohne ein Durchbrennen der am meisten beheizten Heizflächenteiie befürchten zu müssen. Die Verwendung eines Wasserrohrkessels ist daher um so mehr eine zwangläufig zu erhöhtem Verbrennungsdruck gehörige Notwendigkeit, je höher mit 'dem Dampf- und Verbrennungsdruck gegangen wird.On the other hand, it is essential to use a heating method with increased combustion pressure on a water-tube boiler bound, as this is due to its orderly and therefore possible rapid water circulation the transfer of a larger amount of heat per square meter of heating surface actually without fear of the most heated heating surface parts burning out to have to. The use of a water tube boiler is therefore all the more an inevitably increased combustion pressure proper necessity, the higher the vapor and combustion pressures have gone will.

^-Die Höhe des Verbrennungsdruckes soll nach der Erfindung wesentlich über dem bisher für Wasserrohrkessel üblichen Betrag liegen, also mindestens 200 mm Wassersäule betragen, kann jedoch im Grenzfall bis mehrere Atmosphären Überdruck erreichen. Um ein angenähertes ziffernmäßiges Bild über den mit der Erfindung erreichten Fortschritt zu gewinnen, sei z. B. angenommen, daß der Verbrennungsdruck um etwa 1 Atm. gegenüber dem üblichen, verhältnismäßig nur wenig über der Atmosphäre liegenden Betrag gesteigert - wird. Entsprechend der angenähert doppelt so hohen Wärmeübergangsziffer kann daher in diesem Fall die Heizfläche annähernd auf die Hälfte verringert und gleichzeitig der Dampfdruck bei gleichem Verhältnis von . Länge zu Durchmesser der Heizrohre und gleicher Rohrwandstärke um mindestens etwa 40 Prozent (entsprechend der Wurzel aus . dem Verkleinerungsverhältnis) gesteigert werden. In Wirklichkeit ist jedoch die Verbesserung bzw. mögliche Drucksteigerung im Kessel eine weit größere und tritt dieselbe auch bereits bei erheblich geringerer Steigerung So des Verbrennungsdruckes ein, da dann die bisherigen Unterdruckgebiete im Heizgaszug bei den üblichen Verbrennungsdrücken und Gasgeschwindigkeiten z. B. auf der Rückseite der Heizrohre oder an Stellen von Richtungsänderungen der Heizgase mit Sicherheit un- terdrückt werden und daher die ganze Heizfläche in einem weit größeren Maße tatsächlich ausgenutzt wird. ^- According to the invention, the level of the combustion pressure should be significantly higher than the amount previously customary for water-tube boilers, i.e. at least 200 mm water column, but in the limit case it can reach up to several atmospheres overpressure. To get an approximate numerical picture of the progress achieved with the invention, be z. B. Assume that the combustion pressure is reduced by about 1 atm. compared to the usual amount, which is relatively only slightly above the atmosphere - is increased. Corresponding to the heat transfer coefficient which is almost twice as high, in this case the heating surface can be reduced to almost half and at the same time the vapor pressure with the same ratio of. Length to diameter of the heating pipes and the same pipe wall thickness can be increased by at least about 40 percent (corresponding to the root of the reduction ratio). In reality, however, the improvement or possible increase in pressure in the boiler is much greater and the same occurs even with a considerably lower increase in the combustion pressure, since then the previous negative pressure areas in the heating gas flue at the usual combustion pressures and gas velocities z. B. on the back of the heating pipes or at points of changes in direction of the heating gases can be suppressed with certainty and therefore the entire heating surface is actually used to a far greater extent.

Der erhöhte Druck im Verbrennungsraum soll nach der Erfindung durch Aufstau der Verbrennungsgase erzielt werden, und zwar durch einen entweder am Ende des Heizgaszuges oder bereits innerhalb desselben z. B. hinter dem Überhitzer befindlichen Widerstand. Ein solcher kann z. B. durch mehr oder weniger weites Einschieben der Rohre des Überhitzers zwischen die des Dampferzeugers erreicht werden oder durch ein Regelungsglied'oder durch eine Abgasturbine zum Antrieb eines Gebläses zur Vorverdichtung der Verbrennungsluft u. dgl., wobei derartige Mittel gegebenenfalls auch vereinigt angewandt werden können.According to the invention, the increased pressure in the combustion chamber is due to the damming up of the Combustion gases can be achieved, either by one at the end of the heating gas flue or already within the same z. B. located behind the superheater resistor. Such can be, for. B. by more or less far insertion of the tubes of the superheater between those of the steam generator can be achieved or by a control element or by an exhaust gas turbine to drive a fan for pre-compression of the combustion air and the like Means can optionally also be used in combination.

In der Zeichnung ist ein- Ausführungsbeispiel für den Fall einer Lokomotive sehematisch dargestellt, wobei selbstredend die Gesamtanordnung oder Form oder Bauweise des Hochdruck-Wasserrohrkessels oder dessen Überhitzer für das vorliegende Heizungsverfahren belanglos ist. 9"The drawing shows an exemplary embodiment shown schematically for the case of a locomotive, with the Overall arrangement or shape or construction of the high pressure water tube boiler or its Superheater is irrelevant for the present heating process. 9 "

Es bezeichnet 1 den Dampferzeuger, 2 einen nachgeschalteten Überhitzer, 3 einen Luftvorwärmer und 4 das Kesselgehäuse. 5 ist die Verbrennungskammer, in die von der Luftvorkammer 6 die Verbrennungsluft und 9§ durch, die Düse 7 der Brennstoff zuströmt.It denotes 1 the steam generator, 2 a downstream superheater, 3 an air preheater and 4 the boiler housing. 5 is the combustion chamber into which the combustion air flows from the air pre-chamber 6 and the fuel flows through 9§ through the nozzle 7.

8 bezeichnet ein rein- oder mehrstufiges Gebläse zur Verdichtung der Verbrennungsluft,8 denotes a pure or multi-stage fan for compressing the combustion air,

9 dessen antreibende Dampfturbine. In der Abgaskammer 10 werden die Heizgase durch ίσο ein die Auslaßöffnung 11 mehr oder weniger schließendes Regelungsglied 12 aufgestaut, wobei in dem dargestellten Beispiel für eine etwaige selbsttätige Regelung des -Verbrennungsdruckes auf stets gleiche Höhe auch bei wechselnder Belastung des Kesseis ein Kraftkolben 13 vorgesehen ist, der einerseits9 its driving steam turbine. In the exhaust chamber 10, the heating gases are ίσο a more or less closing regulating member 12 dammed up the outlet opening 11, wherein in the example shown for a any automatic regulation of the combustion pressure always at the same level when the load on the Kesseis changes, a power piston 13 is provided, which on the one hand

z. B. durch .eine Rohrleitung 14 mit einer geeigneten Stelle des Heizgaszuges oder mit der Verbrennungskammer 5 oder bereits mit der Luftvorkammer 6 in Verbindung steht und unter Druck gesetzt ist, während als Gegenkraft eine Feder 15 dient, deren Spannung entsprechend dem einzuhaltenden Verbrennungsdruck" z. B. durch das Handrad 16 mit Rechts- und Linksgewinde oder durcheine andere Einrichtung geregelt werden kann. Mit den gespannten Heizgasen wird in dem gezeichneten Beispiel eine Abgaspropellerturbine 17 betrieben, mit der, der Ein- fachheit halber unmittelbar gekuppelt^ ein Schraubenradgebläse 18 verbunden sein kann.z. B. by. A pipe 14 with a suitable Place of the heating gas flue or with the combustion chamber 5 or already with the air plenum 6 communicates and is pressurized, while as Counterforce a spring 15 is used, the tension of which corresponds to the combustion pressure to be maintained " z. B. by the handwheel 16 with right-hand and left-hand threads or by one other facility can be regulated. With the tensioned heating gases In the example shown, an exhaust gas propeller turbine 17 is operated, with which the input For the sake of simplicity, directly coupled ^ a helical gear fan 18 can be connected.

Durch dieses werden die Widerstände des Luftvorwärmers 3 überwunden, und es wird bereits eine gewisse Vorverdichtung der Verbrennungsluft erzielt. Dem Gebläse 18 strömt hierbei die Frischluft 2. B. durch einen auf dem Dach 19 der Lokomotive angebrachten und mit Schlitzen 20 versehenen Kasten 21 zu. Die vorverdichtete Luft durchströmt dann im Gegenstrom zu den Heizgasen den Luftvorwärmer 3 und tritt von da durch den Kanal 22 nach dem Gebläse 8. Von letzterem strömt die verdichtete Luft durch den Kanal 23 nach der Luftvorkammer 6. Gegebenenfalls kann der Luftvorwärmer 3 auch hinter dem Gebläse 8 eingeschaltet sein, so daß letzteres eine Luftmenge geringerer Temperatur zu fördern hat.Through this, the resistances of the air preheater 3 are overcome, and it is a certain pre-compression of the combustion air has already been achieved. The fan 18 flows here the fresh air 2. B. through a mounted on the roof 19 of the locomotive and box 21 provided with slots 20. The pre-compressed air then flows through in countercurrent to the heating gases the air preheater 3 and occurs from there through the channel 22 after the fan 8. From the latter, the compressed air flows through the duct 23 after the air prechamber 6. If necessary, the air preheater 3 can also be behind the fan 8 be switched on, so that the latter has a lower temperature air volume has to promote.

In der Zeichnung ist noch ein Beispiel der Erfindung für den Fall angedeutet, daß der Aufstau der Heizgase bereits innerhalb des Heizgaszuges, und zwar hinter dem Dampferzeuger i, erfolgt. Zu diesem Zweck ist der Oberkessel 24 des Überhitzers drehbar gelagert, so daß durch Drehen desselben umIn the drawing, an example of the invention is indicated for the case that the Damming up of the hot gases already inside the hot gas flue, namely behind the steam generator i, takes place. For this purpose, the upper boiler 24 of the superheater is rotatably mounted, so that by turning it around

as seine Achse das Rohrbündel des Überhitzers mehr oder weniger weit zwischen die entsprechend gestellten Rohre des Dampferzeugers ι eingeschoben werden kann. Mit 25 ist hierbei strichpunktiert eine gewisse Stellung des Überhitzers angedeutet. Eine derartige Regelung, die gegebenenfalls mit einer solchen am Ende des Heizgaszuges vereinigt sein kann, hätte den Vorteil, daß bei geringerer Belastung des Kessels bei weiteremas its axis is the tube bundle of the superheater more or less far between the correspondingly placed pipes of the steam generator ι can be inserted. At 25 a certain position of the superheater is indicated here by dash-dotted lines. Such a one Regulation that may be combined with such at the end of the hot gas flue could be, would have the advantage that with less load on the boiler with further

Einschieben entsprechend dem zunehmenden 35 Stauwiderstand auch die Rohre des Überhitzers, wie es für diesen Fall für die Erzielung einer annähernd gleich hohen Überhitzung des Dampfes zweckmäßig, näher an die Feuerung herangerückt werden. 26 be- 40 zeichnet den Bedienungsboden der Lokomotive, 27 deren Rückwand, 28 den Heizgasaustritt. Push in the tubes of the superheater in accordance with the increasing back pressure, as is the case in this case for achieving an overheating of approximately the same level of the steam expediently be moved closer to the furnace. 26 denotes the operating floor of the locomotive, 27 their rear wall, 28 the heating gas outlet.

Claims

Patent claims:

ι. Heating method with increased combustion pressure for water tube boilers with oil or pulverized coal firing, especially for portable power plants, characterized in that high pressure water tube boilers with over 200 mm water column combustion pressure are operated by damming up the combustion gases ¹ .

2. Heating method according to claim 1, characterized in that the damming of the combustion gases by pushing the tubes of the superheater more or less far between those of the steam generator he follows.

3. Heating method according to claim 1, characterized in that the damming the combustion gases alone or together with one at the end of the hot gas flue attached control element by an exhaust gas turbine to drive a fan for pre-compression of the combustion air he follows.

1 sheet of drawings.